基于LCL濾波的光伏逆變器網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制

摘要：在光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，LCL濾波器相比單L濾波器具有更優(yōu)的濾波性能，但其引入了諧振點(diǎn)，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在不增加額外無(wú)源阻尼和傳感器的基礎(chǔ)上，提出采用網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制策略，利用數(shù)字控制過(guò)程中的延遲環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。給出延遲環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的并網(wǎng)諧波特性和動(dòng)態(tài)特性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；光伏并網(wǎng)；濾波器；單環(huán)控制

1 引言
光伏發(fā)電技術(shù)近年來(lái)發(fā)展十分迅速，其中并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，逆變器通過(guò)L或LCL濾波器與電網(wǎng)連接。LCL濾波器由于具有更佳的濾波性能，逐步代替單L濾波器在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而LCL濾波器由于存在諧振峰，給系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定因素。目前有許多方法來(lái)解決此問(wèn)題，可分為無(wú)源阻尼、有源阻尼和無(wú)阻尼方案三大類。
無(wú)源阻尼方案通過(guò)在LCL濾波器上加入無(wú)源電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振峰的阻尼作用。然而無(wú)源阻尼帶來(lái)了額外損耗；有源阻尼方案通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)阻尼作用，避免了引入額外損耗。然而有源阻尼方案通常需使用多個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要額外的傳感器，即使采用觀測(cè)估算的方法來(lái)間接獲得其他狀態(tài)變量，也對(duì)系統(tǒng)參數(shù)敏感性較強(qiáng)。文獻(xiàn)考慮數(shù)字控制本身存在延遲，用網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定，是一種無(wú)阻尼方案。該方案無(wú)需額外的無(wú)源器件和傳感器，控制簡(jiǎn)單，然而該文獻(xiàn)沒(méi)有分析延遲環(huán)節(jié)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，也沒(méi)有給出延遲環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法。這里詳細(xì)分析了延遲環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，確定保證系統(tǒng)穩(wěn)定的延遲時(shí)間的范圍。并分析延遲環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的影響，給出一種設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性。

2 系統(tǒng)描述
圖1示出單相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)參數(shù)：LCL濾波器中，Linv=0．6 mH，Cf=5μF，Lg=0．6 mH；電網(wǎng)電壓有效值Ug=220 V，f0=50 Hz；直流電壓Udc=400 V；控制頻率fc=16 kHz；控制參數(shù)Kp=10．56，Ki=18700。LCL濾波器諧振頻率4 110 Hz，前后級(jí)等效串聯(lián)電阻約為0．1 Ω．采用雙極性SPWM，控制和開(kāi)關(guān)頻率均為16 kHz。控制器采用傳統(tǒng)PI控制，參數(shù)設(shè)計(jì)方法采用對(duì)稱最佳法進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)字控制中的延遲環(huán)節(jié)用z-k來(lái)表示k拍的延遲，主要是由A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間，控制延遲和PWM波生成過(guò)程的延時(shí)構(gòu)成。其中控制延遲可進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲時(shí)間的調(diào)節(jié)。

3 延遲環(huán)節(jié)的影響分析和設(shè)計(jì)
3．1 穩(wěn)定性分析
LCL濾波器由于存在諧振峰會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。圖2a中實(shí)線表示不考慮延遲影響時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)波特圖?？梢?jiàn)，在諧振峰處，系統(tǒng)增益遠(yuǎn)大于零，且相角正好穿越-180°。則在該頻率點(diǎn)系統(tǒng)存在一個(gè)正反饋效應(yīng)，諧振點(diǎn)處信號(hào)會(huì)被無(wú)限放大而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。虛線表示延遲時(shí)間為1拍的系統(tǒng)波特圖，可見(jiàn)延遲環(huán)節(jié)不會(huì)對(duì)幅值增益帶來(lái)任何影響，故不會(huì)對(duì)諧振峰起到阻尼作用，然而會(huì)對(duì)相角特性產(chǎn)生影響。由圖2a可見(jiàn)，延遲1拍可改變?cè)_(kāi)環(huán)系統(tǒng)-180°的穿越點(diǎn)，使該點(diǎn)前移到幅值增益為負(fù)的區(qū)域，從而破壞原系統(tǒng)的正反饋效應(yīng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于任意的LCL并網(wǎng)逆變系統(tǒng)而言，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，需設(shè)計(jì)延遲環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)-180°穿越點(diǎn)發(fā)生在圖2a所示的ωcut和ω1之間，且在ω2點(diǎn)系統(tǒng)相角大于-540°。定義3個(gè)相角裕度PMcut，PM1和PM2：